基于Zigbee技術(shù)的失火公交定位系統

　　提出了一種公交火災的快速定位系統。該系統應用了Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，在公交車(chē)內裝配煙感傳感器和定位芯片，配合起著(zhù)Zigbee網(wǎng)絡(luò )中路由和定位參考節點(diǎn)作用的Zigbee芯片，將公交車(chē)是否發(fā)生火災的狀態(tài)以及公交車(chē)的實(shí)時(shí)位置發(fā)送給上級管理計算機。該系統能夠縮短公交發(fā)生火災后的救援響應時(shí)間，減少人民群眾的生命財產(chǎn)損失，在實(shí)際應用中有重要意義。

　　公交車(chē)火災已經(jīng)成為公交安全的重要隱患，它威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全，使人們對公交車(chē)安全的信任度降低。公交車(chē)火災的預防非常重要，而發(fā)生起火后的及時(shí)救援也同樣極為重要。從發(fā)生火災到聯(lián)系人員救護需要一段時(shí)間，如果能盡可能縮短這段時(shí)間，當公交車(chē)發(fā)生火災后救援人員能夠在第一時(shí)間趕到現場(chǎng)，就會(huì )減少很多人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，公交起火后的快速定位和快速報警顯得尤為重要?；谶@種需要，本文提出了一種基于Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的公交火災快速定位系統，當位于公交車(chē)內的傳感器檢測到火災時(shí)，能立即將信號傳給消防中心，同時(shí)定位傳感器也將公交車(chē)的位置上傳給消防中心，消防中心就能立刻依據定位系統上報的地點(diǎn)安排對發(fā)生火災的公交的消防救護工作，以將人身財產(chǎn)損失降到最低。Zigbee網(wǎng)絡(luò )具有靈活簡(jiǎn)易的組網(wǎng)能力，成本、功耗較低，能夠滿(mǎn)足在大范圍城市公交線(xiàn)路上組網(wǎng)檢測、定位的要求。

　　1 系統總體設計

　　本公交火災快速定位系統由底層數據采集網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)關(guān)和上層管理中心組成。底層數據采集網(wǎng)絡(luò )負責火災信號和公交車(chē)位置兩種信息的采集。網(wǎng)關(guān)負責構建、維護及管理Zigbee網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)將底層數據傳給上層計算機。

　　上層的管理計算機位于消防中心，當收到火災報警時(shí)控制人員可以立即知曉并派出消防車(chē)，同時(shí)聯(lián)系醫護人員進(jìn)行救護。

　　網(wǎng)關(guān)在此選擇Zigbee芯片CC2430進(jìn)行設計。CC2430是系統級芯片(SOC)，內部集成了工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的核心是高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器。CC2430為Zigbee網(wǎng)絡(luò )中的路由器和節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址，起協(xié)調器的作用。

　　底層信息采集網(wǎng)絡(luò )主要由檢測火災的傳感節點(diǎn)和定位節點(diǎn)組成，同時(shí)包括協(xié)助定位并充當路由器功能的參考節點(diǎn)?；馂臋z測節點(diǎn)由煙感傳感器、基于Zigbee標準的射頻芯片CC2430組成，定位節點(diǎn)選用CC2431芯片進(jìn)行設計。CC2431芯片內部具有定位引擎。圖1為公交火災定位系統框架圖。采集到的現場(chǎng)信息由下至上傳至管理中心計算機。

　　2 Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

　　Zigbee具有簡(jiǎn)易靈活的組網(wǎng)能力，而它的功耗、成本與其它無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比均具有優(yōu)勢，因此本設計中選用Zigbee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸。Zig bee的無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )可以以“多級跳”的方式實(shí)現信號傳播，具有自組織和自愈功能。Zigbee網(wǎng)絡(luò )的抗干擾性和可靠性均符合要求，其抗干擾性與藍牙、WLAN在相同的情況下相比有明顯優(yōu)勢。Zigbee技術(shù)在抗干擾能力和通信可靠性上的優(yōu)勢得益于RF物理層和通信協(xié)議上的設計。實(shí)驗證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4 dB的情況下可達到10-9;達到同樣誤碼率，藍牙/802.15.1信噪比要達16 dB，802.11b要達10 dB，可見(jiàn)ZigBee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN。

　　3 定位原理

　　Zigbee芯片CC2431內部設計了定位引擎。定位系統中的參考節點(diǎn)選用CC2430進(jìn)行設計。CC2431芯片使能后，將收集與多個(gè)參考節點(diǎn)通信時(shí)的信號強度值，利用三個(gè)參數(A值、N值、RSSI值)值，結合相應參考節點(diǎn)的坐標進(jìn)行定位計算。三個(gè)參數中A值為距離發(fā)射機(CC2430/CC 2431)1 m遠的RSSI絕對值;N值為距離發(fā)射機每增加1 m衰減的RSSI絕對值;RSSI為CC2430/CC2431信號強度，單位為dBm。計算中用到三角(三邊)測量法。

　　三角(三邊)測量的原理是，在地面選一系列控制點(diǎn)，相互連接成若干個(gè)三角形，構成各種網(wǎng)(鎖)狀圖形。通過(guò)觀(guān)測三角形的內角(或邊長(cháng))，再根據已知控制點(diǎn)的坐標、起始邊的邊長(cháng)和坐標方位角，經(jīng)解算三角形和坐標方位角推算可得到三角形各邊的邊長(cháng)和坐標方位角，進(jìn)而由直角坐標正算公式計算待定點(diǎn)的平面坐標。

　　該計算由硬件執行，占用很少的CPU資源，計算速度快，定位響應時(shí)間少于40μs。為了確保公交定位的準確性，沿途的參考點(diǎn)應保證一定數量，一次定位至少需要三個(gè)參考節點(diǎn)。

　　4 系統控制流程

　　系統的軟件控制流程如圖2所示。當系統初始化完成后，系統將不斷掃描各個(gè)公交車(chē)火災信號的狀態(tài)值，當狀態(tài)為發(fā)生火災時(shí)，系統將立即發(fā)出聲音警報。在覆蓋公交行徑整個(gè)區域的電子地圖上，將以火焰的符號顯示公交所在地點(diǎn)。同時(shí)，系統將發(fā)送短信給相關(guān)負責人員，通知他們發(fā)生火災的公交地點(diǎn)，以便救援行動(dòng)能夠及時(shí)展開(kāi)。

　　5 結論

　　本文中的城市公交車(chē)火災快速定位系統能夠縮短消防和醫護人員對公交車(chē)進(jìn)行救援的響應時(shí)間，對人民的出行安全有重要意義。采用的Zigbee網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)易，成本和耗能較低，有利于系統投放到實(shí)際應用中。